Ứng dụng thực vật và vi sinh vật trong cải tạo đất ô nhiễm

Các KLN trong đất có thể tồn tại ở trạng thái tự do, ion ,hoặc liên kết với các chất tạo phức tạo thành chất hòa tan, chất ít độc hoặc là phức hợp hữu cơ-kim loại và được chuyển đến các

Ứng dụng thực vật và vi sinh vật trong cải tạo đất ô nhiễm

1 Khái quát chung

Sử dụng TV hoặc VSV cải tạo đất ô nhiễm ( ô nhiễm chất hữu cơ và kim loại nặng) được tiến hành bằng cách chuyển đổi chúng thành các chất rất ít hoặc không có độc tính

+ Phytoremediation: công nghệ sử dụng TV để làm sạch môi trường bằng cách tích lũy trong sinh khối và biến đổi chúng thành dạng khí thoát ra ngoài

+ Bioremediation: công nghệ xử lí đất ô nhiễm dựa trên nguyên tắc thêm chất dinh

dưỡng,oxi hoặc các siêu VSV vào để làm tăng hoạt tính,số lượng của VSV bản địa

Ưu điểm

• Loại bỏ nhiều loại chất thải hữu cơ và vô cơ có khả năng gây độc đối với sinh vật sống trong tự nhiên và con người

• Thân thiện với môi trường

• Chi phí thấp,an toàn

• Dễ thực hiện, không đòi hỏi kĩ thuật cao

Nhược điểm

 Thực vật:

+ Sinh khối giới hạn

+ Chỉ giới hạn cho tầng đất nông (<5m)

+ Tích lũy nhiều chất ô nhiễm độc hại sẽ gây độc cho cây

Các KLN trong đất có thể tồn tại ở trạng thái tự do, ion ,hoặc liên kết với các chất tạo phức tạo thành chất hòa tan, chất ít độc hoặc là phức hợp hữu cơ-kim loại và được chuyển đến các bộ phận của tế bào có hoạt động trao đổi chất thấp (thành tế bào, không bào) Tại đây, chúng được tích lũy dưới ở dạng các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ bền.

Các kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong không bào và được liên kết vào các hợp chất pectin và protein của thành tế bào Ngoài ra, một số loài cây có khả năng tích lũy kim loại nặng ở phần trên của cây (lá, chồi, thân)

Các chất tạo phức với kim loại là : glutathione (GSH), Metallothioneins (MT), Nicotianamine (NA), Organic acids (OA), Phytochelatins (PC)

 Cơ chế biến đổi chất ô nhiễm hữu cơ trong tế bào thực vật

Các chất hữu cơ được hấp thụ, một phần sẽ tích lũy trong thành tế bào , một phần sẽ di chuyển qua màng tế bào vào trong dịch bào Tại đây, các CHC sẽ bị các enzim nội bào phân giải hoặc sẽ liên kết với các chất tạo phức tạo thành các chất mới ít hoặc không độc, được vận chuyển và tích lũy trong không bào hoặc vận chuyển sang các tế bào khác

Các chất tạo phức với CHC là : glutathione (GSH) và glucose (Glu)

2.1.2 Công nghệ xử lý ô nhiễm đất (Phytoremediation)

sẽ bị phân hủy thành các chất đơn giản hơn và được tích lũy trong mô thực vật, cung cấp dinh dưỡng cho sự sinh trưởng, phát triển của cây hoặc trở thành nguyên liệu cho quá trình trao đổi chất diễn ra trong cây

Một số loài enzim trong cây tham gia quá trình phá hủy chất hữu cơ là Nitroraductases phá hủy các hợp chất nitroaromatic, Dehalogenases suy giảm của các dung môi clo như Trichloroethylen (TCE) và thuốc trừ sâu, Laccaase phá hủy anilines…

 Phytovolatilization là sự hút thu, vận chuyển và biến đổi các chất ô nhiễm thành dạng hơi

và thoát ra ngoài khí quyển cùng quá trình thoát hơi nước ở cây Các chất ô nhiễm có thể

bị biến đổi trước khi vào cây dưới tác dụng của enzim tiết ra từ rễ, giúp cây hấp thu nhanh hơn hoặc một số chất đi vào cây mới bị biến đổi

VD: cây dương lai được ứng dụng để làm bay hơi TCE bằng cách chuyển đổi nó thành clo axetat và CO2 Lượng TCE bỗ thoát ra chiếm 90% so với tổng lượng mà cây hấp thụ.Ngoài ra, phương pháp này còn dùng để bay hơi một số kim loại như Se có thể bay hơi bằng cách chuyển đổi thành dimethyselenade [Se(CH3)]

 Phytoextraction còn được gọi là phyto-chiết xuất, là quá trình cây hấp thu kim loại nặng

từ đất nhờ hệ thống rễ và tích lũy trong các bộ phận của cây như chồi, lá cây, làm giảm nồng độ KLN trong đất.Các mô thực vật tích lũy KLN sẽ được thu hoạch và xử lý phù hợp bằng cách làm khô, đốt hoặc ủ để tái chế các kim loại cần thiết, loại bỏ các kim loại gây ô nhiễm

Thực vật đóng vai trò quan trọng trong phytoextraction là hyperaccumulators – là những loài có khả năng chống chịu cao với độc tố KLN và có thê hấp phụ một lượng lớn KLN trong sinh khối của chúng

Cây Hyperaccumulating có thể chứa nhiều hơn 1% một KL trong sinh khối của nó Ví dụ, các cây hyperaccumulating Berkheya coddii đã được phát hiện có chứa 3,8% Ni trong sinh khối khi trồng trên đất bị ô nhiễm

 Phytostabilization hay phyto-cố định, là việc sử dụng thực vật để cố định các KLN trong đất, làm giảm sự di chuyển của các chất gây ô nhiễm và ngăn chặn chúng phán tán vào nước ngầm hay không khí

Các dịch tiết được tiết ra bởi rễ có khả năng cố định và kết tủa của các chấtss gây ô nhiễm trong đất hoặc trên bề mặt rễ Chất gây ô nhiễm tích tụ trong mô thực vật trở nên không hòa tan và cố định sau khi hấp thụ qua rễ cây

Phytoremediation processes, mechanisms, and related pollutants/plant species (Gupta et al, 2000)

2.1.3 Một số loài thực vật có khả năng cải tạo ô nhiễm đất

 Nghiên cứu trên thế giới

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì có ít nhất 450 loài thuộc 45 họ thực vật có khả năng hấp thụ kim loại Các loài này chủ yếu là cây thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích lũy và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác.

Brassica juncea

(cải xanh) Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn Schmidt, 2003

Thlaspi caerulescens Cd, Ni, Pb, Zn Cosio et al, 2004

Euphorbia cheiradenia Pb Chehregani and Malayeri ,2007

Solanum tuberosum Herbicides

(thuốc diệt cỏ) Doty et al, 2000

Grasses Petrodeum hydrocarbons Banhks et al, 1997; Drake, 1997

Nicotiana tabacum

(cây thuốc lá) H Halogenate Yamada et al, 2002

Armoracia.Rusticana P Phenols Kotyza et al, 2010

Thlaspi caerulescens là một trong những loài siêu tích tụ KLn, chúng có thể tích tụ

26.000 ppm Zn mà không bị tổn thương, 22% lượng Cd trao đổi trong đất từ những khu vực bị nhiễm độc

Nhiều loài thực vật đã được chứng minh là loài siêu tích lũy KLN trong đất

Các nhà nghiên cứu trường đại học Rutger, New Jersey đã sử dụng rất nhiều loài cây dại

và cây mù tạt đã thuần hóa tích lũy KLN trong đất bị ô nhiễm Các nghiên cứu ở Mỹ cho thấy cải xanh có thể hấp thụ chì (Pb) Tại Ucraina, loài này được trồng để hấp thụ các chất phóng xạ trong đất ở xung quanh nhà máy điện hạt nhân Chernobyl

Nghiên cứu khoa học ở Hoa Kỳ phát hiện những vùng đất không bị ô nhiễm, hàm lượng asen trong dương xỉ diều hâu thay đổi từ 11,8-64 phần triệu, còn những vùng ô nhiễm tại miền Trung Florida thì nông độ Asen rất cao từ 1.442-7.526 phần triệu Asen tập trung trong những chiếc lá xanh dạng dải hay hình lược của dương xỉ Loài dương xỉ diều hâu cứng và phát triển rất nhanh, có tiềm năng lớn trong việc xử lý asen trên các vùng đất nông nghiệp.Chúng có thể hấp thụ asen và các hợp chất của nó trong thời gian rất ngắn Các cuộc kiểm tra cho thấy, hàm lượng asen trong dương xỉ tăng lên 126 lần chỉ sau hai tuần được chuyển sang vùng đất bị ô nhiễm

Nghiên cứu của Trung Quốc cho biết loài cây dương xỉ diều hâu phân bố trên diện rộng ở miền Nam Trung Quốc, hàm lượng asen ở trên lá của cây lên tới 8‰, vượt xa so với hàm lượng đạm, lân có trên thân cây mà cây vẫn phát triển tươi tốt Khả năng hút As của loài cây này không ngừng tăng mạnh theo sự phát triển của cây và có thể di truyền đặc tính này cho các cây thế hệ sau.Kết quả nghiên cứu cũng đã phát hiện ra các sợi lông tơ trên cây dương xỉ có khả năng tập hợp asen rất đặc biệt, những sợi lông có nước chính là nơi tích trữ chủ yếu của asen, nó có tác dụng cách biệt rất rõ ràng đối với asen, vì thế loại độc

tố này bị “nhốt kín” ở một nơi an toàn trong thân cây nên không hề ảnh hưởng đến sự phát triển của cây.

Cỏ Napier là loại cây lâu năm, có tên khoa học là Pennisetum purpureum, có nhiều ở các vùng đồng cỏ nhiệt đới ở châu Phi cỏ Napier có thể sống ở những vùng đất cực kỳ khô cằn và rất hiệu quả trong việc hấp thụ các kim loại nặng và những chất gây ô nhiễm Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm tác dụng của loại cỏ này ở một số khu vực bị ô nhiễm nặng do hoạt động khai thác mỏ thuộc tỉnh Quảng Đông (Trung Quốc) Kết quả cho thấy

nó có thể hấp thụ tốt các kim loại đồng, niken và cađimi cũng như kẽm và chì

Các nhà khoa học trường ĐH của Philippin, Los Banos đã phát hiện loài thực vật siêu hấp

thụ niken là Rinorea niccolifer Rinorea niccolifera sử dụng niken như một nguồn thức ăn

để sống- tích lũy lên tới 18.000ppm nguyên tố niken trong lá cây mà không bị ngộ độc.Các nhà khoa học Nga đã tạo ra giống cây dương (Populus) phát triển nhanh gấp hai lần

so với các giống khác Hiện có kế hoạch trồng những cây mới trên lãnh thổ các nhà máy

cũ để làm sạch đất nhiễm chất độc và kim loại nặng Loài này có khả năng hút các chất độc thấm sâu trong lòng đất ( thạch tín ở đâu sâu 6m) lên mặt đất chuyển lên lá

 Nghiên cứu tại Việt Nam

Nghiên cứu sàng lọc TV tại 4 vùng mỏ ở Thái Nguyên là mỏ thiếc (Hà Thượng) và mỏ than (Núi Hồng) huyện Đại Từ; mỏ chì – kẽm (Làng Hích) và mỏ sắt (Trại Càu) huyện Đồng Hỷ, thu được 65 loài có khả năng tích lũy KLN (Pb, Cd, As, Zn, ) Nghiên cứu sâu

về 7 loài TV triển vọng xử lý ô nhiễm As, Pb, Cd và Zn tại mỏ thiếc (Hà Thượng) và mỏ chì, kẽm (làng Hích), trong đó có 3 loài TV bản địa thu tại vùng khai thác mỏ (Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calomelanos và cỏ Mần trầu Eleusine indica),

2 loài TV triển vọng tại vùng ô nhiễm KLN (Ngổ dại và cỏ Voi lai), 2 loài thế giới dùng nhiều để xử lý ô nhiễm KLN (cỏ Vetiver và Cải xanh)

Sau khi lựa chọn các loài thực vật phù hợp, các nhà khoa học tiến hành xây dựng quy

trình xử lý đất nhiễm As bằng dương xỉ, xử lý đất nhiễm Pb bằng cỏ Mần trầu, Vetiver và Dương xỉ Pteris vittata, xử lý đất nhiễm Zn và Cd bằng cỏ Mần trầu Tiếp tục hoàn thiện

công nghệ nhân giống 2 loài dương xỉ, cỏ mần trầu, cỏ vetiver để cải tạo ô nhiễm KLN tại vùng khai khoáng

Mô hình xử lý đất nhiễm As tại Hà Thượng: sử dụng 2 loài Dương xỉ có khả năng tích lũy

As cao là Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau 2,5 năm tiến hành xử lý ô nhiễm hàm lượng As còn lại trong đất chỉ bằng 14,5 % so với ban đầu

Mô hình xử lý đất nhiễm Pb và Zn tại Làng Hích: Sử dụng 3 loài thực vật là: Dương xỉ

Pteris vittata, cỏ Vetiver và cỏ Mần Trầu Sau thời gian 2,5 năm thực nghiệm, hàm lượng

Pb và Zn còn lại là 399,11 và 780,49 ppm (tương ứng với 11,5 %và 24,46 %)

Một số vi dụ điển hính:

Cỏ vetiver là loài khả năng cải tạo đất ô nhiễm KLN bằng cách hấp thụ, vận chuyển, và đặc biệt là tích lũy các KLN trong các cơ quan trong các cơ quan khí sinh của nó Cỏ Vetiver có khả năng hấp thụ Cd, Zn, Cu và Pb trong đất với các mức độ khác nhau

KLN Khả năng hấp thụ (BF) Khả năng vận chuyển từ rễ lên

Dựa vào bảng kết quả trên có thể xếp cỏ vetiver vào nhóm thực vật tích tụ Zn

Mặc dù khả năng hấp thụ KLN trong đất của cỏ Vetiver không cao ngoại trừ Zn nhưng nhờ khả năng cho sinh khối cao nên lượng KLN được cỏ Vetiver tích lũy trong cơ quan khí sinh khá lớn so với các loài thực vật khác, kể cả các loài siêu tích tụ SAu 3 tháng trồng, cỏ Vetiver tích lũy :

Các nhà khoa học Việt Nam phát hiện loài thơm ổi hay hoa ngũ sắc có khả năng hấp thu lượng kim loại nặng cao gấp 100 lần bình thường và sinh trưởng rất nhanh Lài này hấp thụ rất mạnh chì (cao gấp 500-1.000 lần hoặc 5.000 lần so với các loài cây bình thường

mà không bị ảnh hưởng Có thể xem thơm ổi là loài siêu hấp thu chì và cadmi

2.2 Cải tạo đất ô nhiễm bằng vi sinh vật

cơ thể vsv.Khi kết thúc,chất ô nhiễm được đưa ra môi trường đã bị biến đổi ít hoặc không gây hại cho môi trường đất.Một phần năng lượng được trả lại đất qua một số chất nhận e như khí oxygen,nitrate,sunlfate, )

Ví dụ:

Vi khuẩn Raistonia metallidurans có công dung như các nhà

máy lọc đât siêu nhỏ, hấp thu kim loại nặng ở trang thái hòa tan

và chuyên chúng sang dạng cứng và ít độc hơn

 Cơ chế gián tiếp:

Tế bào vi sinh vật sử dụng các chất khoáng và năng lượng từ môi trường đất để tạo

ra năng lượng phục vụ các quá trình sinh tổng hợp các chất hữu cơ nuôi cơ thể.Đồng thời trong quá trình này,chúng sản sinh ra các enzim ngại bào.Các enzim này có khả năng làm giảm, phân hủy các chất ô nhiễm trong đất.

Ví dụ:

Vi khuẩn Pseudomonas có khả năng chuyển hoá atrazine Chủng này tiết ra

Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine Như vậy, bằng phản ứng Atrazine chlorohydrolase, atrazine độc, không tan có thể chuyển hoá các sản phẩm tan được và không độc

 Riêng đối với cơ chế phân hủy kim loại nặng ở thực vật gồm 2 pha:

Đối với tảo Ankistrodesmus braunii và chlonlla vulgaris thì liên kết Cd lên thành tế bào có thể tới 80% hấp thụ toàn phần.

Pha thứ 2:sự tích tụ sinh học hay sự hấp thu nội bào

Là quá trình thu hút kim loại bởi các vi sinh vật sống, phụ thuộc vào sự trao đổi năng lượng chuyển hoá, để thực hiện quá trình này các vi khuẩn cần phải có những hệ thống trao đổi đặc biệt, phụ thuộc vào sự thích ứng với các kim loại khác nhau Khả năng tích tụ kim loại có thể xảy ra trong và ngoài tế bào vi khuẩn

2.2.2 Công nghệ xử lý ô nhiễm đất (Bioremediation)

Bioremediation là công nghệ xử lí đất ô nhiễm dựa trên nguyên tắc thêm các chất

dinh dưỡng,oxi hoặc các siêu vi sinh vật vào để làm tăng hoạt tính,số lượng của vsv bản địa.

Tùy thuộc vào đặc điểm của hệ vi sinh vật nơi đất ô nhiễm mà người ta chia làm hai dạng công nghệ xử lý chính là công nghệ Biostimualation và Bioaugmentation.

 Biostimualationhay còn gọi là kích thích sinh học, là phương pháp thúc đẩy sự

phát triển và hoạt tính trao đổi chất của tập đoàn vi sinh vật bản địa có khả năng sử dụng các chất ô nhiễm bằng cách tác động tới các yếu tố môi trường như độ ẩm, pH, nồng độ oxy, chất dinh dưỡng,

Kích thích sinh học thường được sử dụng cho những vùng ở đó: cộng đồng vi sinh vật phân huỷ sinh học tự nhiên các chất ô nhiễm và các điều kiện môi trường tại đây hoạt động với hiệu quả và hoạt tính thấp.

Ưu điểm của phương pháp này là xử lý sinh học sẽ được thực hiện bởi vi sinh vật bản địa được phân bố đều theo không gian nên rất phù hợp với môi trường dưới mặt đất, chi phí thấp Tuy nhiên, nó chỉ có hiệu quả với một số vùng và có thể không thu được kết quả như mong muốn do khó khăn để phát tán các chất bổ sung trên vùng bị ảnh hưởng

 Bioaugmentation hay còn gọi là tăng cường vi sinh vật, là phương pháp bổ sung

siêu vi sinh vật cùng chất dinh dưỡng khi số lượng vi sinh vật bản địa không có khả năng xử lý chất gây ô nhiễm Những vi khuẩn bổ sung thêm này có quá trình chuyển hóa với hệ enzim đặc hiệu và khả năng tăng số lượng nhanh sẽ làm giảm các chất gây ô nhiễm.

Bioaugmentation có khả năng làm giảm nhiều chất như: chất béo,dầu,prorein và tinh bột, ….

Quá trình này được đánh giá là an toàn và chi phí hiệu quả.

Người ta ước tính rằng việc loại bỏ chất cặn bã sẽ có chi phí $ 1.000.000 Khi các

vi sinh vật thích hợp đã được thêm vào, cô lập, và được sản xuất bằng cách sử dụng phương pháp bioaugmenatation mô tả ở trên, tỷ lệ phần trăm của các chất rắn giảm từ 20% xuống còn 1,5% với chi phí ít hơn $ 50,000

Tuy nhiên cần nghiên cứu và sản xuất ra các chủng vi sinh vật có sự thích nghi với môi trường cao,tăng sinh khối lớn cần nhiều thời gian và công sức lớn.

2.1.3 Một số loài vi sinh vật có khả năng xử lý ô nhiễm đất:

 VSV phân giải chất hữu cơ

Vi sinh vật phân huỷ cellulose nhờ có hệ enzym cellulose ngoại bào nhưng chủ yếu

là các chi thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí và các xạ khuẩn hiếu khí.

-Các vi sinh vật hiếu khí :Arzotobacter, Achromobacter, Pseudomonas,

Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium,

Sorangium,…(vi khuẩn hiếu khí); Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces,…(xạ khuẩn).Trong đó chi Bacillus, Fravobacterium và Pseudomonas là

các chi phân lập được có tần suất cao nhất

-Vi khuẩn kị khí :Ruminococcus flavefeciens,Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio

fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium,

• Các vi sinh vật phân giải protein

Nhóm vi khuẩn chính phân giải protein là vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn nitrit hóa

vi khuẩn cố định nitơ

Nhóm vi khuẩn nitrit hoá: Nitrozomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus và

Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên

môi trường thạch.

Nhóm vi khuẩn nitrat hoá tiến hành oxi hoá NO2- thành NO3-: Nitrobacter,

Nitrospira và Nitrococcus

Nhóm vi khuẩn cố định nitơ: Azotobacter; Clostridium Clostridium pastenisium

• Vi sinh vật phân giải tinh bột

Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza

Vi khuẩn thuộc chi Bacillus,Cytophaza,Pseudomonas